3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)課件

H800透射電子顯微鏡(鏡筒)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)高壓系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)真空系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)控制系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)觀察和記錄系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡

1.透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

透射電鏡：是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，用電子透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。

四部分：電子光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、

真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

鏡筒

一般由電子槍、聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡等電子透鏡、樣品室和熒光屏組成透射電鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

透射電鏡，通常采用熱陰極電子槍來(lái)獲得電子束作為照明源。

熱陰極發(fā)射的電子，在陽(yáng)極加速電壓的作用下，高速穿過(guò)陽(yáng)極孔，然后被聚光鏡會(huì)聚成具有一定直徑的束斑照到樣品上。

具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生反映樣品微區(qū)厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位向差別的多種信息。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

透過(guò)樣品的電子束強(qiáng)度，其取決于這些信息，經(jīng)過(guò)物鏡聚焦放大在其平面上形成一幅反映這些信息的透射電子像，經(jīng)過(guò)中間鏡和投影鏡進(jìn)一步放大，在熒光屏上得到三級(jí)放大的最終電子圖像，還可將其記錄在電子感光板或膠卷上。

透鏡電鏡和普通光學(xué)顯微鏡的光路是相似的，如圖4-3所示。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)光學(xué)顯微鏡與透射電鏡的比較

比較部分光學(xué)顯微鏡透射電鏡光源可見光(日光、電燈光)電子源(電子槍)照明控制玻璃聚光鏡電子聚光鏡樣本1mm厚的載玻片約10nm厚的薄膜放大成象系統(tǒng)玻璃透鏡電子透鏡介質(zhì)空氣和玻璃高度真空像的觀察直接用眼利用熒光屏聚焦方法移動(dòng)透鏡改變線圈電流或電壓分辨本領(lǐng)200nm0.2~0.3nm有效放大倍數(shù)103×106×物鏡孔徑角約700＜10景深較小較大焦長(zhǎng)較短教長(zhǎng)像的記錄照相底板照相底板3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

透射電鏡的顯著特點(diǎn)是分辨本領(lǐng)高。目前世界上最先進(jìn)的透射電鏡的分辨本領(lǐng)已達(dá)到0.1nm,可用來(lái)直接觀察原子像。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)電磁透鏡3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)電磁透鏡的分辨本領(lǐng)由衍射效應(yīng)和球面像差來(lái)決定。

衍射效應(yīng)對(duì)分辨本領(lǐng)的影響：

Rayleigh公式：

Δr0=0.61λ/Nsinα

Δr0：成像物體上能分辨出來(lái)的兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離，表示透鏡分辨本領(lǐng)的大小。

λ：波長(zhǎng);N：介質(zhì)的相對(duì)折射系數(shù)

α:透鏡的孔徑半角

只考慮衍射效應(yīng)時(shí)，在照明光源和介質(zhì)一定的條件下，孔徑半角越大，透鏡的分辨本領(lǐng)越高。

像差對(duì)分辨本領(lǐng)的影響：

由于球差、像散和色差的影響，物體上的光點(diǎn)在像平面上均會(huì)擴(kuò)展成散焦斑，個(gè)散焦斑的半徑也就影響了透鏡的分辨本領(lǐng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

控制電子束的運(yùn)動(dòng)在電子光學(xué)領(lǐng)域中主要使用電磁透鏡裝置。但電磁透鏡在成像時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差。

像差分為幾何像差和色差兩類。

幾何像差：由于透鏡磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的像差。

色差：由于電子波的波長(zhǎng)或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的像差。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

透鏡的實(shí)際分辨本領(lǐng)除了與衍射效應(yīng)有關(guān)以外，還與透鏡的像差有關(guān)。

光學(xué)透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和凹透鏡的組合等辦法來(lái)矯正像差，使之對(duì)分辨本領(lǐng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衍射效應(yīng)的影響;

但電子透鏡只有會(huì)聚透鏡，沒(méi)有發(fā)散透鏡，所以至今還沒(méi)有找到一種能矯正球差的辦法。這樣，像差對(duì)電子透鏡分辨本領(lǐng)的限制就不容忽略了。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

像差分球差、像散、色差等，其中，球差是限制電子透鏡分辨本領(lǐng)最主要的因素。球差的大小，可以用球差散射圓斑半徑Rs和縱向球差ΔZs兩個(gè)參量來(lái)衡量。前者是指在傍軸電子束形成的像平面(也稱高斯像平面)上的散射圓斑的半徑。后者是指傍軸電子束形成的像點(diǎn)和遠(yuǎn)軸電子束形成的像點(diǎn)間的縱向偏離距離。

3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

ΔZs3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

如果計(jì)算分辨本領(lǐng)的平面為最小截面圓所在平面，則

Δr’s=1/4Csα3

從以上兩式可以得知Δr’s或Δrs與球差系數(shù)Cs成正比，與孔徑半角的立方成正比。也就是說(shuō)球差系數(shù)越大，由球差決定的分辨本領(lǐng)越差，隨著α的增大，分辨本領(lǐng)也急劇地下降。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)像散：像散是由透鏡磁場(chǎng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱而引起。

如果電磁透鏡在制造過(guò)程中已經(jīng)存在固有的像散，則可以通過(guò)引入一個(gè)強(qiáng)度和方位都可以調(diào)節(jié)的矯正磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)能產(chǎn)生矯正磁場(chǎng)的裝置稱為消像散器。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)色差：是由于入射電子波長(zhǎng)（或能量）的非單一性造成。色差3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)電磁透鏡的景深和焦長(zhǎng)電磁透鏡的特點(diǎn)是景深大（場(chǎng)深），焦長(zhǎng)很長(zhǎng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

景深：透鏡物平面允許的軸向偏差定義為透鏡的景深。

從原理上講，當(dāng)透鏡焦距、像距一定時(shí)，只有一層樣品平面與透鏡的理想物平面重合，能在透鏡像平面上獲得該層平面的理想圖象，而偏離理想物平面的物點(diǎn)都存在一定程度的失焦，他們?cè)谕哥R像平面上將產(chǎn)生具有一定尺寸的失焦圓斑，如果失焦圓斑尺寸不超過(guò)由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么對(duì)透鏡像分辨本領(lǐng)并不產(chǎn)生影響。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)焦長(zhǎng)：透鏡像平面允許的軸向偏差定義為焦長(zhǎng)。

當(dāng)透鏡焦距、物距一定時(shí)，像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，也會(huì)引起失焦。如果失焦尺寸不超過(guò)由衍射效應(yīng)和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的軸向距離內(nèi)移動(dòng)，對(duì)透鏡像分辨率并不產(chǎn)生影響。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)2透射電鏡的結(jié)構(gòu)及原理

透射電鏡主要有電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)等四部分。

電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和操作系統(tǒng)都是輔助系統(tǒng)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

電源系統(tǒng)包括電子槍高壓電源、透鏡電源和控制線路電源等。

真空系統(tǒng)用來(lái)維持鏡筒(凡是電子運(yùn)行的空間)的真空度在10-4Torr以上，以確保電子槍電極間絕緣，防止成像電子在鏡筒內(nèi)受氣體分子碰撞而改變運(yùn)動(dòng)軌跡，減小樣品污染等。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

基于對(duì)機(jī)械穩(wěn)定性的考慮，透射電鏡的鏡筒一般是直立積木式結(jié)構(gòu)（自上而下）：電子槍，聚光鏡，樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡，熒光屏和照相裝置。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

通常將鏡筒分為照明、成像及圖像觀察和記錄三個(gè)系統(tǒng)。

照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡

成像系統(tǒng)：樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡

圖像觀察和記錄系統(tǒng)：熒光屏和照相裝置3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)1.照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的作用：

①提供光源，控制其穩(wěn)定度、照明強(qiáng)度和照明孔徑角；

②選擇照明方式(明場(chǎng)或暗場(chǎng)成像)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)(1)電子槍

電子槍是透射電鏡的電子源。因?yàn)殡娮訕寷Q定了像的亮度、圖像穩(wěn)定度和穿透樣品能力，所以相應(yīng)地要求其亮度、發(fā)射穩(wěn)定度和加速電壓都要高。最常用的加速電壓為50~100kV，近來(lái)超高電壓電鏡的加速電壓已達(dá)數(shù)千kV。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)電子槍3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

目前常用的電子槍是熱陰極三極電子槍，如圖所示。它由發(fā)夾形鎢絲陰極、陽(yáng)極和位于陰、陽(yáng)極之間且電位比陰極負(fù)數(shù)百伏的柵極組成。

這是一種靜電透鏡，它能使陰極發(fā)射的電子會(huì)聚，得到一個(gè)小于100μm的電子束斑。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)(2)聚光鏡

聚光鏡大多是磁透鏡，其作用是將來(lái)自電子槍的電子束會(huì)聚到被觀察的樣品上，并通過(guò)它來(lái)控制照明強(qiáng)度、照明孔徑角和束斑大小。高性能透射電鏡都采用雙聚光鏡系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由第一聚光鏡(強(qiáng)激磁透鏡)和第二聚光鏡(弱激磁透鏡)組成。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

第一聚光鏡的縮小倍數(shù)為10~50倍，它將有效光源強(qiáng)烈地縮小成1~5

m的光斑像。

第二聚光鏡縮小倍數(shù)約為1/2倍。這樣，通過(guò)第二聚光鏡在試樣平面上形成直徑約為2-10

m的光斑，顯著地提高了照明效果。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)2.

成像系統(tǒng)

物鏡、中間鏡和投影鏡現(xiàn)也都采用磁透鏡。它們和樣品室構(gòu)成成像系統(tǒng)，作用是安置樣品、放大成像。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)(1)物鏡

物鏡是透射電鏡的核心，它獲得第一幅具有一定分辨本領(lǐng)的放大電子像。這幅像的任何缺陷都將被其他透鏡進(jìn)一步放大，所以透射電鏡的分辨本領(lǐng)就取決于物鏡的分辨本領(lǐng)。因此，要求物鏡有盡可能高的分辨本領(lǐng)、足夠高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。磁透鏡最大放大倍數(shù)為200倍，最大分辨本領(lǐng)為0.1nm。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

物鏡的球面像差一般通過(guò)在物鏡背焦面徑向插入物鏡光闌，物鏡的像散通常通過(guò)采用機(jī)械消像散器、磁消像散器或靜電消像散器來(lái)減小。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)(2)中間鏡和投影鏡

中間鏡和投影鏡的構(gòu)造和物鏡是一樣的，但它們的焦距比較長(zhǎng)。其作用是將物鏡形成的一次像再進(jìn)行放大，最后顯示到熒光屏上，從而得到高放大倍數(shù)的電子像。這樣的過(guò)程稱為三級(jí)放大成像。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

物鏡和投影鏡屬于強(qiáng)透鏡，其放大倍數(shù)均為100倍左右，而中間鏡屬于弱透鏡，其放大倍數(shù)為0~20倍。三級(jí)成像的總放大倍數(shù)為：

MT=MOMIMP

其中MO、MI、MP分別是物鏡、中間鏡和投影的放大倍數(shù)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

磁透鏡可以通過(guò)改變電流來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。一般通過(guò)將物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)MO、MP固定，而改變中間鏡放大倍數(shù)MI來(lái)改變總放大倍數(shù)MT。應(yīng)當(dāng)指出，放大倍數(shù)越大，成像亮度越低。成像亮度與MT2成反比。因此，要根據(jù)具體要求選用成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。3.3透射電鏡的工作原理和特點(diǎn)

樣品室位于照明系統(tǒng)和物鏡之間，其作用是安裝各種形式的樣品臺(tái)，提供樣品在觀察過(guò)程中的各種運(yùn)動(dòng)，如平移(